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Nanoscale insights on hypoxia radiosensitization with ion beams

Boscolo, Daria :
Nanoscale insights on hypoxia radiosensitization with ion beams.
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8159]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2018)

Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8159

Kurzbeschreibung (Abstract)

Tumors with a nonuniform oxygen distribution show also an inhomogeneous radiosensitivity. In particular, the hypoxic regions results to be more radioresistant, limiting the efficacy of radiotherapy. It has been observed that high linear energy transfer, LET, radiation can counteract this effect to a certain extent, suggesting ion beam therapy as one of the most promising strategies to treat hypoxic tumors. On the nanoscale, the oxygen effect is assumed to be related to the indirect action of radiation. Several theories exist that aim to provide an explanation of the nature of this effect and its LET dependence, on the radiation chemistry. However, a mechanistic description is still missing and little is known about the indirect action and the chemical processes taking place along an ion track. In this work, the Monte Carlo particle track structure code TRAX has been extended to the pre-chemical and chemical stage of the radiation effect and is now able to simulate the chemical evolution of the most important products of water radiolysis under different irradiation conditions and target oxygenation levels. The validity of the model has been verified by comparing the calculated time and LET-dependent yields of the different radiolytic species to experimental data and other simulation approaches.

As an example of the application of the newly implemented TRAX-CHEM code, a study on the dose enhancement effect and radical enhancement effect of gold nanoparticles has been performed under varying irradiation conditions and oxygenation levels. This will contribute to the basic understanding of still unsolved mechanisms for nanoparticle sensitization.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Boscolo, Daria
Titel: Nanoscale insights on hypoxia radiosensitization with ion beams
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Tumors with a nonuniform oxygen distribution show also an inhomogeneous radiosensitivity. In particular, the hypoxic regions results to be more radioresistant, limiting the efficacy of radiotherapy. It has been observed that high linear energy transfer, LET, radiation can counteract this effect to a certain extent, suggesting ion beam therapy as one of the most promising strategies to treat hypoxic tumors. On the nanoscale, the oxygen effect is assumed to be related to the indirect action of radiation. Several theories exist that aim to provide an explanation of the nature of this effect and its LET dependence, on the radiation chemistry. However, a mechanistic description is still missing and little is known about the indirect action and the chemical processes taking place along an ion track. In this work, the Monte Carlo particle track structure code TRAX has been extended to the pre-chemical and chemical stage of the radiation effect and is now able to simulate the chemical evolution of the most important products of water radiolysis under different irradiation conditions and target oxygenation levels. The validity of the model has been verified by comparing the calculated time and LET-dependent yields of the different radiolytic species to experimental data and other simulation approaches.

As an example of the application of the newly implemented TRAX-CHEM code, a study on the dose enhancement effect and radical enhancement effect of gold nanoparticles has been performed under varying irradiation conditions and oxygenation levels. This will contribute to the basic understanding of still unsolved mechanisms for nanoparticle sensitization.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Festkörperphysik > Biophysik
Hinterlegungsdatum: 25 Nov 2018 20:55
Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8159
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-81591
Referenten: Durante, Prof. Dr. Marco ; Regine, Prof. Dr. von Klitzing
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 30 Mai 2018
Alternatives Abstract:
Alternativer AbstractSprache
Tumore mit ungleichmäßiger Oxygenierung zeigen auch eine inhomogene Strahlenempfindlichkeit. Insbesondere sind die hypoxischen Regionen strahlenresistenter, was die Wirksamkeit der Strahlentherapie einschränkt. Es wurde beobachtet, dass eine hohe LET-Strahlung diesem Effekt bis zu einem gewissen Grad entgegenwirken kann, was Ionenstrahltherapie eine der vielversprechendsten Strategien zur Behandlung hypoxischer Tumore macht. Es wird angenommen, dass der Sauerstoffeffekt auf der Nanometerskala mit der indirekten Strahlenwirkung zusammenhängt. Es gibt mehrere Theorien, die eine Erklärung für den Ursprung dieses Effekts und seine LET-Abhängigkeit auf der nanoskopischen und chemischen Ebene liefern. Eine mechanistische Beschreibung fehlt jedoch bislang, und über die indirekteWirkung und die chemischen Prozesse entlang einer Ionenspur ist wenig bekannt. In dieser Arbeit wurde der Monte-Carlo Code TRAX zur Simulation der Teilchenbahnstruktur um die vorchemische und chemische Stufe des Strahlungseffekts erweitert und ist nun in der Lage, die chemische Entwicklung der wichtigsten Produkte der Wasserradiolyse unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen und Oxygenierungsniveaus des Mediums zu simulieren. Die Gültigkeit des Modells wurde verifiziert, indem die berechneten Zeit- und LET-abhängigen Ergebnisse der verschiedenen radiolytischen Produkte mit experimentellen Daten und anderen Simulationsansätzen verglichen wurden. Als ein Anwendungsbeispiel der neu implementierten Version des TRAX-CHEM-Codes wurde eine Studie über den Dosisverstärkungseffekt und den Effekt der Radikalverstärkung von Goldnanopartikeln unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Dies wird das Grundwissen erweitern, das für die biologische Behandlungsplanung für Goldnanopartikel verstärkte Strahlentherapie notwendig ist.Deutsch
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